Experimentální diagnostika hustého plazmatu

Abstract

Tato doktorská práce je věnována experimentálnímu výzkumu na megaampérovém plasmatickém fokusu PF-1000 v Institutu fyziky plazmatu a laserové mikrosyntézy ve Varšavě. Plasmatické fokusy jsou impulsní silnoproudá výbojová zařízení, ve kterých dochází ke vzniku horkého hustého plazmatu. V plazmatickém fokusu je využíváno pinčového jevu, který silově působí na výboj a stlačuje ho. Ve stlačeném plazmatu dochází k urychlování nabitých částic na poměrně vysoké energie. Pokud je jako pracovní plyn použito deuterium, nastávají v horkém hustém plazmatu DD jaderné fúzní reakce, které produkují intenzivní neutronové impulzy. Přesto že výzkum plazmatických fokusů začal již v 60. letech 20. století, řada základních mechanizmů, které vedou k urychlování částic, není stále plně vysvětlena. Moderní diagnostické nástroje s vysokým prostorovým a časovým rozlišením mohou pomoci tyto mechanizmy vysvětlit a posunout poznání v oblasti fyziky horkého hustého plazmatu. V této doktorské práci jsou prezentovány výsledky experimentů s novými konfiguracemi elektrod (anoda s plynovou tryskou – tzv. gas-puffem a anodovým kuželem). V těchto experimentech je dynamika plazmatu, elektronová hustota a další parametry charakterizující plazma studována pomocí 16-ti snímkového interferometru, 4-snímkové rychlé roentgenové kamery s mikrokanálovou destičkou a scintilačních detektorů tvrdého Roentgenova záření a neutronů. Ve výstřelech s anodovým gas-puffem byly pozorovány četné kulové a vláknovité struktury s dlouhou dobou života, jaké nebyly dříve, při klasických experimentech, pozorovány. Co se týče experimentů s anodovým kuželem, ve srovnání s klasickou plochou anodou došlo k významnému navýšení neutronového zisku. Experimentální data umožnila určení obecných parametrů charakterizujících plazma, pro navazující teoretické úvahy.

This doctoral thesis is devoted to the experimental research on the megaampere PF-1000 plasma focus at the Institute of Plasma Physics and Laser Microfusion in Warsaw. The plasma foci are pulsed-power high-current discharge devices in which the hot dense plasma is formed. The plasma focus discharge is compressed by the pinch effect. In the pinched plasma an acceleration of charged particles to relatively high energies occur. Using deuterium as the working gas, DD nuclear fusion reactions are achieved and intensive neutron pulses are emitted. Notwithstanding that the plasma focus research began in the 1960s, many fundamental principles of the particle acceleration have not been fully explained. The modern diagnostics methods with a high spatial and temporal resolution could help with the explanation of these principles and shift the knowledge in the hot dense plasma physics. In this thesis, results from the experiments with novel configurations of the electrode system (anode gas-puff and anode cone) are presented. In this experiments, the plasma probing by 16-frame optical interferometer, 4-frame fast soft x-ray microchannel plate camera, and hard x-ray and neutron diagnostics are used to evaluate the plasma dynamics, electron densities, and other plasma-characterizing parameters. At the shots with the anode gas-puff numerous organized long-lived plasma structures of a fiber or ball form are observed. Such plasma structures have not been observed earlier in the classical plasma focus experiments. As far as the experiments with the anode cone are concerned, using such an electrode configuration, an significant increase in the neutron yield was reached. By the experimental data, the general plasma characterizing parameters, which could help with a further theoretical considerations, are approximated.